SI, PI, 신호 왜곡, 신호 지연에 대한 시뮬레이션 수행[패키지 제품 설계]

󰊱 신호 무결성 (Signal Integrity, SI) 해석

SI를 위해선 회로적 해석법이 반드시 필요하다. 전자장 해석을 통 해 얻을 수 있는 것은, 결국 실제 신호를 인가하고 그 전달과 왜곡 과정 을 관찰할 수 있는 SPICE 등가회로 모델 이며, 이 등가회로 모델에 기반하여 신호의 왜곡과 변형의 정도를 가늠하는 것이 바로 SI 과정의 핵심 이라 할 수 있다. PCB SI 해석의 완성을 위해서는, 레이아웃을 전자장 해석하 여 추출한 SPICE 형태의 등가회로에, IBIS 모델 등에 기반한 실제 전기적 신호 파형 올 인 가하고 그 신호의 변형 과정을 해석해야 한다. 이렇게 임의의 전기적 신호를 인가하고 시 간적 파형 해석를 하려면 반드시 SPICE에 기반한 회로해석이 적용되어야 한다. SI 해석올 위해 PCB기판의 IC 동작 파형올 모델링할 때 가장 많이 사용되는 개념이 IBIS 이다. IBIS를 이용하면 내부의 정보 없이도 외부 pin에서 나오는 실제적인 전압 파형올 활 용할 수 있다. IBIS는 Input/Output Buffer Information Specification 의 약자로서，C 의 여 러 입출력 pin의 전기적 파형정보를 제공하는 규격 또는 file이다. OS는 1993년 인텔이 펜티엄 CPU를 공급하면서, CPU의 입출력 신호 정보를 제공하기 위 해 사용되기 시작하였다. 이때를 시작으로 여러 차례 규격이 발전하여 C 파형정보 를 모 델링한 현재의 旧IS 모델 규격이 만들어지게 되었다. IBIS file은 주로 회로 시뮬레이션을 위해 존재하며，Output Buffer의 경우 해당 C의 출력 pin에서 나오는 디지털 파형을 모델 링하거나，off-chip Interconnect를 설계하기 위해 사용한다. IBIS는 디지털 IC에 관해 디지 털 클력 신호의 전압/전류 변화를 제공하는 파일이기 때문에，RF/Analog IC에서는 적용할 수 없는 디지털 전용 규격입이다. 많은 디지털 시스템에서의 잡음은 디지털 클릭 잡음과 깊은 관련이 있기 때문에，IBS 파일은 EMI의 근원이 되는 신호원을 담은 중요한 정보 file 이라 볼 수 있다. SI 시뮬레이션을 위해서는 IBIS의 이해와 활용이 필수적이다. PCB 기판의 공진해석을 통해 어떤 주파수가 어느 부위에서 공진하는지를 알 수 있다. 이 러한 공진을 잡으려면, 보다 객관적이고 명확한 지표를 갖고 접근하기 위해 S parameter 해석 을 통해 PCB의 임피던스를 계산해야 한다. 특정 주파수에서 공진이 크다는 것은 임 피던스가 높게 걸린다는 의미이므로, 보다 명확한 숫자로 표시되는 "임피던스"를 지표로 하는 것이 유리하다. PCB의 특정 주파수의 임피던스를 낮추어 잡음을 개선하려면, 목표하 는 임피던스 값인 Target Impedance가 정해지고 이를 목표로 decap 추가. Via/패턴 변경 등을 수행하게 된다. 주파수가 올라가면 고주파 입장에서 직렬 인덕턴스는 치명적으로 선로의 임피던스를 변화 시키기 때문에 기생 L의 성분이 가장 특성에 영향을 주게 된다. 해석주파수가 높아질 수 록 pin의 L값 변화에 신경을 써야 한다. Pin별로 RLC를 입력하는 것이 가장 정확하겠지 만，pin별 RLC 값이 존재하지 않는 경우는 어쩔 수 없이 우의 R/ L/C_pkg 중 하나를 입 력해야 한다. 통상적으로는 typ값을 입력하면 되지만 최소값과 최대값의 차이가 크고， 동 작주파수가 높다면 어느 정도 최대에 가까운 값으로 임의로 조정해야 한다. 

 

󰊲 전자장 해석

불필요한 공진 주파수 에너지는 잡음을 더욱 키우는 효과를 일으키기 때문에, PCB의 공진 을 분석한다면 이렇게 잡음에 취약한 주파수를 찾아낼 수 있게 된다. 일반적인 회로 해석 으로는 정해진 모델 값에만 의존하여 답을 구하기 때문에, 구조물의 형상을 정확히 반영 할 수 없다. 따라서 PCB의 잡음 해석에는 전자장 해석이 필요해진다. 전자장 해석은 입체 형상의 구조/크기와 재질을 이용하므로 전자기 수식인 맥스웰 방정식으로 풀어낼 수 있으 므로, 특정 형상의 구조물에서의 공진 주파수를 찾아낼 수 있다. 전자장 해석은, 전자 관련 해석법 중 가장 근원적이고 원초적인 해석방법으로써 해석대상 을 작은 요소 단위로 분할하고 각 분할구역에 대해 맥스웰 방정식을 적용하여 방법이다. 이 방법은 전압，전류，전자기파 등 모든 것을 정의하고 모델링할 수 있는 맥스웰 방정식 을 풀기 때문에 해석 구조에 제약이 없고 해석 대상 내의 모든 대상을 한꺼번에 고려한 전자기 분석 결과를 얻을 수 있다. 어떤 형태의 대상에 대해서도 해석이 가능하므로 SI 해 석에 있어서는 가장 필수적인 해석방법으로 평가되고 있다. 회로 해석방법은, 각 선로간의 간섭에 대해 정해진 계수 만큼만을 계산하기 때문에 제약이 있지만, 전자장 해석은 선로 와 구조물과의 관계를 있는 그대로 계산하고 그 간섭량을 추출할 수 있는 장점이 있다. 복수개의 선로가 특별한 규칙 없이 배치된 복잡한 선로에서는, 실제 구조 전체를 그대로 해석하는 전자장 해석법이 가장 정확하고 효과적이라고 볼 수 있다.

 

󰊳 PCB 기판 공진 해석

PCB 기판의 구조적 공진이 잡음과 직접적으로 연관이 있으므로 PCB 잡음 문제를 해결하려 면 공진해석이 필요하다. PI 과정은 PCB 기판의 VDD와 GND면의 구조적인 공진을 찾기 위 한 공진해석부터 시작하며, 구조 해석을 위하여 전자장 해석법을 이용한다. 간단한 공진해 석을 통하여, PCB 기판의 어느 부위에 어떤 주파수 성분이 얼마만한 크기로 공진하고 있는지 알 수 있고, 결과적으로 문제가 발생할 수 있는 부위를 육안으로 쉽게 찾을 수 있다.

 

󰊳 EMIC / EMC 해석

EMC가 어려운 이유는, 문제를 예측하기도 어렵고, 발견된다 하더라도 그 원인과 해결점을 찾기가 막연한 경우가 많기 때문이다. 시스템은 점점 더 빨라지고, 구조는 복잡해지고, 규 격은 더 엄격해 지고 있다. 그 동안 EMI 문제는 현장에서 측정과 경험으로 잡아야 한다는 경향이 대세였지만, 최근에는 시뮬레이션 기술의 발전으로 다양한 예측과 해결법이 제시 되어지고 있다. EMI는 결국 전자파(Electromagnetic Wave)에 대한 문제이므로 EMI 문제 해결을 위해 전자 장 해석 방법의 도입이 시도되어 왔다. 전자장 해석법의 Field simulation을 이용하면, 전자 기기의 외부로 방출되는 전자파 (E field, H field) 의 분포와 그 양을 예측할 수 있다. 따라서 EMI/EMC를 이론적으로 분석하고자 한다면, Field Simulation을 반드시 고려해아 한 다. Field simulation 결과 자체로는 문제 발생의 수준과 그에 대한 해결법을 직관적으로 알아내기 힘든 경우도 많지만 field 분포를 통해 불필요하게 에너지가 집중되는 부위를 담 색하며 문제의 근원을 찾거나, 그에 기반하여 해결의 중요한 단서를 얻고, 문제해결의 목 표점과 기준을 설정할 수 있다.

 

[실습]

󰊱 신호 무결성의 개념을 이해하고 해석할 수 있도록 한다.

실제 신호를 인가하고 그 전달과 왜곡 과정을 파악할 수 있는 등가회로 모델을 확보하면 이에 기반하여 신호의 왜곡과 변형의 정도를 가늠하는 것이 신호 무결성 개념이다. PCB의 신호 무결성 해석을 위해서는, 레이아웃을 전자장 해석하여 추출한 등가회로에 실제 전기 적 신호 파형 올 인가하고 그 신호의 변형 과정을 해석해야 한다. 이렇게 임의의 전기적 신호를 인가하고 시간적 파형 해석을 해야 한다. PCB 기판의 공진해석을 통해 어떤 주파수가 어느 부위에서 공진하는지를 알 수 있다. 이 러한 공진을 잡으려면, 보다 객관적이고 명확한 지표를 갖고 접근하기 위해 PCB의 임피던 스를 계산해야 한다. 동작주파수가 높을 경우에는 예상가능한 주파수를 최대로 잡고 조정 할 필요가 있다.

 

󰊲 PCB 기판의 잡음을 해석하기 위해 전자장 해석을 진행한다.

PCB의 공진 주파수를 해석하면 잡음에 취약한 주파수를 찾아낼 수 있다. 일반적인 회로 해석에서는 구조물의 형상을 정확히 반영하기가 어려워서 계산된 결과도 오차가 어느 정 도 있게 된다. 전자장 해석은 입체형상의 구조/크기와 재질을 이용하므로 전자기 수식인 맥스웰 방정식으로 풀어낼 수 있으므로, PCB에서의 공진 주파수를 찾아내기 위해서 전자 장 해석을 수행한다. 전자장 해석은 전자 관련 해석법 중 가장 근원적이고 원초적인 해석방법으로 해석 대상을 작은 요소 단위로 분할하고 각 분할구역에 대해 맥스웰 방정식을 적용하여 푸는 방법으로 어떤 형태의 대상에 대해서도 해석이 가능하므로 SI 해석에 있어서는 가장 필수적인 해석 방법이다. 전자장 해석은 선로와 구조물과의 관계를 그대로 계산하고 그 간섭량을 추출할 수 있으므로 여러 개의 선로가 배치된 복잡한 선로를 가진 PCB를 해석하는 경우는 전자 장 해석법이 가장 정확하고 효과적이라고 볼 수 있다.

 

󰊳 PCB 기판 공진 해석을 수행한다.

PCB 기판의 구조적 공진이 잡음과 직접적으로 연관이 있으므로 PCB 잡음 문제를 해결하기 위해 공진해석을 수행한다. 공진해석을 통하여 PCB 기판의 어느 부위에 어떤 주파수 성분 이 어느 정도 있는지 알 수 있으므로 문제가 발생할 수 있는 부위를 쉽게 찾을 수 있다.